Die hydrodynamische Beschreibung nicht-Newtonscher Strömungseffekte in polymeren Fluiden und Ferrofluiden

Abstract

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die erstmalige Anwendung der hydrodynamischen Beschreibung polymerer Fluide auf verschiedene elementare Strömungstypen. Es wird mittels Vergleichen mit experimentellen Befunden gezeigt, dass diese neue Theorie in der Lage ist, die grundlegenden Fließeigenschaften polymerer Fluide sehr gut wiederzugeben.

Das hydrodynamische Modell wird zunächst stark vereinfacht und auf den Grenzfall kleiner elastischer Verzerrungen beschränkt. Die resultierenden Gleichungen werden dazu verwendet, das Fließverhalten in stationären und zeitabhängigen Scher- und Elongationsströmungsgeometrien zu diskutieren, außerdem werden Oberflächendeformationseffekte wie der Weissenberg-Effekt betrachtet.

Ferner wird eine qualitative Verallgemeinerung vorgestellt, die es erlaubt, Strömungen bei starken elastischen Verzerrungen zu beschreiben. Diese Modifizierung des Modells wird auf einige Beispiele angewendet, bei denen bei größeren Verzerrungen interessante Effekte auftreten. Schließlich werden einige aus der Rheologie bekannte empirische Relationen betrachtet.

Außerdem werden bislang kaum untersuchte nicht-Newtonsche Strömungseigenschaften von Ferrofluiden in äußeren Magnetfeldern mit Hilfe der so genannten Ferrofluiddynamik diskutiert. Dazu werden einige der schon für polymere Fluide betrachteten Strömungsgeometrien für Ferrofluide mit verschiedenen Magnetfeldorientierungen untersucht. Die Resultate werden außerdem mit den Eigenschaften von polymeren Flüssigkeiten verglichen.

In this work the hydrodynamic description of polymeric liquids is, for the first time, applied to different fundamental types of flow. By comparing the results with experimental findings, it is shown that this new theory is able to describe the basic flow properties of polymeric fluids very well.

At first the hydrodynamic model is strongly simplified and considered in the limit of small elastic strain. The resulting equations are used for discussing the flow behaviour in stationary and time-dependent shear and elongational flow geometries, in addition, surface deformation effects like the Weissenberg effect are considered.

Furthermore, a qualitative generalization is presented that allows the description of a flow with large elastic strain. This modification of the model is applied to different examples where interesting effects occur at larger strain. Finally, different empirical relations known from rheology are considered.

In addition, some scarcely considered non-Newtonian flow properties of ferrofluids in external magnetic fields are discussed by using the so called ferro-fluiddynamics. Some of the flow geometries considered for polymeric liquids are revisited and analysed for different magnetic field orientations. In addition, the results are compared to the properties of polymeric liquids.